健身房有效通风气流组织的研究

杜芳莉 魏朝晖



健身房有效通风气流组织的研究

杜芳莉 魏朝晖

（西安航空学院能源与建筑学院 西安 710077）

随着生活水平的提高，人们对生活质量有了更高的要求，工作之余，越来越多的人走进健身房。通过对健身房内人处于静止和运动状态时空调送风气流流型有效模拟，分析了两种不同状态气流分布的规律和特点，通过对稳态和非稳态气流组织进行深入对比，得出两种不同状态气流组织的差异，为以后健身房空调系统有效气流组织方案的设计提供便利。

健身房；空气调节；气流组织；气流模拟

0 引言

随着生活水平的提高，人们对生活质量有了更高的要求，运动健身也不例外，城市居民的休闲时间已经超过了工作时间。为了满足城市居民的休闲娱乐的要求，一些有规模、有体系的连锁化健身俱乐部已遍及我们身边，越来越多的人走进健身房。随着健身房内健身人群的增多，健身房是否能为健身者提供良好的室内空气卫生环境越来越受到重视。据相关研究报道，我国健身俱乐部有一半以上空气卫生质量未达到国家规定的室内空气卫生指标。其中一氧化碳、二氧化碳、细菌、悬浮颗粒是健身房空气污染的主要成分。因此，如何合理设计健身房内的气流组织形式，为人们创造良好的健身环境，促进人们的身心健康，具有理论与现实意义。

1 健身房建模及划分网格

在健身房空调系统中，室内气流组织的合理性，对健身房内的空气品质、健身人员的身体状况、空调效果及能耗有重大的影响。所以寻找合适的健身房气流组织形式以满足人体卫生、空调节能和舒适性的需要是非常重要的。众所周知，空调房间的气流组织，是指确定合适的送（回）风口形式、位置、规格、数量和送（回）风量、风速、温度等参数，以最小的风量获得最佳的通风效果[1]。而这些参数直接关系着健身房内的温湿度参数、洁净度及人体舒适感觉，直接影响健身房室内空气品质及空调的效果，是健身房空调系统设计中必须着重考虑的重要环节。

本文采用Fluent软件模拟三维较复杂的健身房内人体在静止和剧烈运动时周围气流的流动形式，对各种参数进行分析评价，为空调的送风气流组织设计方案提供理论依据，以便使得空调系统设计人员根据健身房人体活动时实际情况设计出合理的气流组织既满足室内健身人员的热舒适性要求、又能给健身者提供良好的室内空气品质，进而达到节约能源的目的。一般而言，CFD通常包含如下几个主要环节：建立数学模型、数值算法求解、结果可视化，具体步骤如下。

1.1 物理模型的建立

本课题针对健身房中动感单车房进行气流组织进行模拟，由于计算机配置的限制，选取一个经过简化的动感单车房为模拟对象，房间尺寸为：350cm×300cm×280cm（长×宽×高），分别针对人处于静止状态和剧烈运动时两种状态房间的气流进行模拟，动感单车位于房间中部，尺寸为120cm×50cm×110cm（长×宽×高）；坐姿人的尺寸（以动感单车车座为基础）：40cm×50cm×90cm，方形灯：35cm×35cm×8cm（长×宽×高）；送风口：350cm×1cm（长×宽），距离侧墙20cm；回风口设在房间的侧墙上，且距离屋顶20cm，其尺寸为：35cm×20cm（长×宽）；人体运动时的散热量160W。首先在Gambit里建立物理模型，具体模型如下图1所示。

图1 动感单车房物理模型

1.2 网格的划分及边界条件处理

对气流组织问题进行数值计算时，其中很重要的一步就是对所建立的物理模型进行网格划分，即要对空间上连续的计算区域进行剖分，把它划分成为许多个子区域，并确定每个区域中的节点[2]。流动问题数值计算结果最终的精度及计算过程的效率，主要取决于所生成的网格和所采用算法[3]。高质量网格是实现数值模拟成功的首要条件，过密过疏的网格都是应该避免的。

本文重点分析当人在动感单车房处于静止和进行剧烈运动时其周围的气流组织分布情况。首先采用Fluent公司的Gambit软件建立几何模型，整个计算空间29.4m3，考虑到健身房健身器材的复杂性，本文采用混合网格对计算区域进行离散，对送风口、回风口以及动感单车周围进行网格加密，共划分网格计算节点数245226个，离散单元942278个，如图2所示。

图2 动感单车房网格划分图

1.3 湍流模型

对于动感单车房间，由于竖壁贴附射流送风速度低，房间的对流强度并不十分强烈，室内的热源是空气流动的主要驱动力，因此房间气流是自然对流和强制对流同时存在的混合对流形式。对于具有混合对流特征的房间来说，在前人的文献中，标准-模型、RNG-模型、Re alizable-模型这三种湍流模型都有一定的应用，湍流模型不同对通风房间的数值计算结果有一定的影响。

因为涉及动感单车房的气流流动为湍流，而-模型是以是针对充分发展的湍流才有效的，也就是说，它是高Re数的湍流模型所以采用-双方程模型对动感单车房进行模拟，该模型是目前使用最广泛的湍流模型，在湍动能方程的基础上，又引入一个关于湍动耗散率的方程[4]。

1.4 控制方程。

动感单车空调房间里的气流属于常温常压下的低速流动，可以看作是不可压缩流体，但是由于空气温差而产生的自然对流对室内空气的流场和温度场的影响是不可以被忽略的。这里引入了著名的Boussinesq假设，可以大大地简化所讨论的问题。Boussinesq假设提出：流体中的粘性耗散忽略不计；除密度外其它物性为常数；密度的变化对惯性力项、压力差项和粘性力项的影响可忽略不计，仅考虑密度的变化对动量方程中与体积力有关的项，其余各项中的密度仍作为常数[5]。模拟采用的数学模型表达式如下：

2 健身房气流组织模拟

本文采用通用CFD软件fluent 6.3进行模拟，用控制容积法离散微分方程组，采用SIMPLE算法求解速度压力偶合方程。扩散项采用中心差分的离散格式，动量方程与能量方程的离散格式选用一阶迎风格式[7]。Fluent选用已标定残差来控制方程的收敛精度，模拟时各计算残差曲线都趋水平以保证各参数值的稳定[8]。

选用空气流动的质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程以及-方程，采用竖壁贴附射流，风口类型为条缝形，风口尺寸为350（长）cm×1（宽）cm，风口离侧墙壁距离为20cm，当送风口温度为20℃，送风气流速度为1m/s，针对人在动感单车房处于静止和进行剧烈运动两种不同状态时对空调室内气流流型进行模拟分析，并在Fluent软件中以直观的方式表示出了两种不同状态下动感单车房内气流的温度场和速度场（气流流型图），分析讨论其在相同参数下的气流分布的规律、特点及其适用场合。其中人处于静态时动感单车房内温度场三维空间气流流型模拟如图3所示。

图3 人处于静态时单车房内温度场三维空间气流流型

当人体在静止状态时动感单车房内的温度场Y-Z平面及X-Z平面的气流模拟结果如图4所示。

图4 人处于静态时单车房内温度场X-Z平面及Y-Z平面气流流型

当人体在静止状态时动感单车房内速度场Y-Z面及X-Z面的气流模拟结果如下图5所示。

图5 人处于静态时单车房内速度场X-Z平面及Y-Z平面气流流型

当人体在剧烈运动时，由于计算机的配置及计算速度限制，模拟人体运动第34s时动感单车房内温度场X-Z面及Y-Z面气流结果如下图6所示。

图6 人在剧烈运动时单车房内温度场X-Z平面及Y-Z平面气流流型

当人体在剧烈运动时，人体运动第34s时动感单车房内速度场X-Z面及Y-Z面气流模拟结果如下图7所示。

图7 人在剧烈运动时单车房内速度场X-Z平面及Y-Z平面气流流型

3 健身房数值模拟结论及分析

本文采用Fluent软件以直观的方式显示了动感单车房内当人处于静止状态和运动状态时两种不同的气流流型，将数值计算结果进行处理，并分析了两种不同状态气流分布的规律和特点，通过对稳态和非稳态气流组织进行深入对比，得出两种不同状态气流组织的差异，为以后健身房空调系统的设计方案提供便利。从以上两种人处于两种不同状态时的气流模拟图时可得出如下结论：

（1）非稳态靠近人体的温度比稳态的温度高；

（2）越接近房子顶棚稳态的比非稳态的热量扩散的范围大；

（3）稳态从射流入口出来的气流贴附射程比非稳态的距离长；

（4）稳态时人体靠近送风口侧的速度非常高，两侧速度相差比较大；而非稳态人体两侧速度差不多，但比稳态的低；

（5）非稳态比稳态人体周围的温度梯度大；

（6）从图中还可以看出，竖壁贴附射流送风方式造成房间气流组织的不均匀，室内部分风速差异明显，稳态时气流速度场速度分布在0-1m/s，速度场影响面小；非稳态时气流速度场速度分布在0-0.6m/s，速度场影响面大。

[1] 吴显庆,钱付平,阚竟生,等.通风方式对室内热舒适性影响的数值模拟[J].制冷与空调,2015,29(1):16-21.

[2] 晋欢欢.射流通风室内气流组织的数值研究[D].重庆:重庆大学,2013.

[3] 许敏,沈致和.合肥市某办公建筑空调动态负荷模拟分析[J].制冷与空调,2015,29(6):696-698.

[4] 高志明.体育馆空调气流组织数值模拟及节能优化研究[D].广州:华南理工大学,2012

[5] 王松,王子云,梁园,等.某公路隧道火灾烟气流动和人员疏散模拟分析[J].制冷与空调,2015,29(4):374-379.

[6] 孙燕.高大中庭空调气流组织的数值模拟研究[D].济南:山东建筑大学,2013.

[7] 胡勇,侯艳,许志浩,等.基于Phoenics的地板送风孔板风口和旋流风口的数值模拟对比[J].制冷与空调,2014, 28(1):72-74.

[8] 姚林,彭小勇,刘振昊.不同气流组织下空调客房热舒适性的数值模拟[J].制冷与空调,2012,26(1):101-106.

Research on the Air Flow Organization of Effective Ventilation in Gymnasium

Du Fangli Wei Zhaohui

( Xi’an Aeronautical University, Department of Energy and Architecture, Xi’an, 710077 )

With the improvement of the living standard, people have higher demand for the quality of life, more and more people into the gym in the spare time of work. This article effectively simulate the flow of air supply when people are in a state of stationary and moving in the gym, We analyzed the regularity and characteristics of two kinds of airflow distribution in different states, We obtained the difference of two kinds of air flow organization through the deep comparison of steady state and unsteady air flow organization, It provides convenience for the design of air conditioning system of the gymnasium in the future.

gymnasium; Air conditioning; Air flow organization; Air flow simulation

1671-6612（2017）03-336-05

G710

A

杜芳莉（1975.05-），女，硕士研究生，副教授，E-mail：dufangli75@163.com

2016-03-17